ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА КОАНДА. Часть 1. АВИАЦИЯ - Студенческий научный форум

IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА КОАНДА. Часть 1. АВИАЦИЯ

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Эффект Коанда - физическое явление, названное в честь румынского учёного Anri Coanda (во французском произношении Коанда́, откуда и название эффекта), который в 1932 году обнаружил, что струя жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к стенке и при определенных условиях прилипает к ней. Это объясняется тем, что боковая стенка препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны струи, создавая вихрь в зоне пониженного давления. Аналогично и поведение струи газа.

Фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования эффекта Коанда, начатые с конца 30-х годов и продолженные в послевоенный период, позволили установить его основные черты, важнейшей из которых оказалась возможность поворота струи на большие углы.

Аэродинамический эффект был открыт в 1910 году в ходе экспериментов над новым профилем крыла первого реактивного самолета, известного как «the Coandã-1910» (рис.1). К сожалению, при первой публичной апробации самолет потерпел крушение, но эта неудача дала рождение многим техническим решениям.

Авиаконструкторы многих стран разрабатывали конструкции крыла и фюзеляжей, усиливающих действие эффекта Коанда, обеспечивая увеличение подъемной силы самолета, широко известен закрылок Коанда, сохраняющий постоянную кривизну верхней поверхности при его отклонении и обдуваемый струёй сжатого воздуха или реактивной струёй.

Первые натурные эксперименты по суперциркуляции провели в 1954-м. В них струя газа, обладающая достаточно большой энергией, выдувалась из задней кромки крыла, образуя струйный закрылок. Интерес NASA к струйным закрылкам в конце 1950-х годов привел к разработке силовой установки, в которой вся реактивная струя выпускалась через относительно тонкую щель над верхней поверхностью крыла, создавая дополнительную подъемную силу. Однако двигатели транспортных самолетов того периода не имели достаточной тяги и не обеспечивали необходимого увеличения подъемной силы.

Идея оставалась без практического применения до тех пор, пока исследования, проведенные в NASA, не показали, что этим способом можно отклонять мощные выхлопные струи ТРДД с большой двухконтурностью, причем на большие углы и без чрезмерных потерь.

Так в США 1972 г. были заключены контракты с компаниями McDonnell Douglas и Boeing, каждая из которых должна была сконструировать, построить и испытать два опытных образца среднего транспортного самолета укороченных взлета и посадки по программе Advanced Medium STOL Transport (AMST). Компания McDonnell Douglas представила самолет YC-15 (рис. 2), и его опытный образец совершил первый полет 26 августа 1975 года.

Boeing C-14 (рис. 3) впервые поднялся в воздух 9 августа 1976 года и сразу продемонстрировал превосходные летные характеристики. В конструкции использовался обдув верхней поверхности крыла реактивной струей двух двигателей, установленных на крыле в гондолах, далеко выдвинутых вперед от передней кромки крыла. При отклоненных предкрылках и закрылках коандовского типа выхлопная струя безотрывно обтекая верхнюю поверхность крыла и закрылка, отклоняется вниз, тем самым увеличения подъемную силу.

Советские конструкторы также, рассматривали возможность применения эффекта: МиГ-21Ф-13 (экспериментальный Е-6Т, см. рис. 4) стал летающей лабораторией по изучению системы сдува пограничного слоя. Расчеты показали, что имеется возможность значительно снизить посадочную скорость, если отобрать часть воздуха от компрессора и направить его на обдув закрылка с использованием эффекта Коанда. В 1959 году в аэродинамической трубе академии имени Н.Е. Жуковского начались исследования сдува пограничного слоя с закрылка, спустя два года приступили к летным испытаниям. Однако "жизнь" Е-6В/2 , проложившего дорогу последующим модификациям "МиГа", оказалась короткой. 10 января 1962 года он потерпел аварию, после чего не восстанавливался.

В 1972 г. проходили предварительные исследования по самолету короткого взлета и посадки (КВП) в ОКБ О.К. Антонова (г. Киев). Инициатором работ над самолетом (рис. 5), использующим нетрадиционный метод повышения подъемной силы, был сам Генеральный конструктор. Говоря о целесообразности такого решения, Антонов О.К. образно описывал сотрудникам, как "могучий поток газов, с большой скоростью вытекающий из сопла реактивного двигателя, пройдет над крылом, создавая дополнительную подъемную силу".

Одной из главных особенностей Ан-72, обеспечившей сокращение разбега при взлете, является расположение двигателей над крылом. Это обусловлено стремлением конструкторов использовать так называемый "эффект Коанда", когда при отклоненных предкрылках и закрылках выхлопная струя двигателя, установленного на крыле в выдвинутой вперед мотогондоле, обтекает без отрыва верхнюю поверхность крыла и закрылка и отклоняется вниз, обеспечивая увеличение подъемной силы и сокращение взлетной дистанции.

В ходе испытаний обнаружились и некоторые проблемы с практическим использованием "изюминки" проекта - эффекта Коанда. Прилипание струи к крылу было неравномерным, зависело от режимов полета и внешних условий (особенно попутного ветра). В поисках решения, обеспечивающего стабильность эффекта, несколько раз изменялась форма задней части мотогондол и створок реверса. Тем не менее концепция Ан-72 была оценена положительно.

Вера в перспективность нового самолета была столь велика, что решение о серийном производстве приняли, не дожидаясь конца испытаний. Американские QSRA и построенный по заказу ВВС Боинг YC-14, проходившие испытания в это время, так и не вышли из стадии опытных образцов.

Возможно, роль эффекта Коанда в создании подъемной силы Ан-72 составила не значительную величину (5-7%), но это не помешало в 1993 году компанией Boeing выпустить C-17 Globemaster III (на 2011 г. насчитывается 232 действующих единиц) также использующий эффект, хотя и в меньшей степени, нежели прототип YC-14.

Учёные и инженеры из Санкт-Петербургского государственного морского технического университета разработали пилотируемый аппарат «Blue Space» (рис. 6), использующий эффект Коанда для перемещения под водой.

Эффект Коанда заключается в том, что если из плоской щели выдувать на выпуклую поверхность по касательной струю воздуха или воды, то эта струя прилипает к поверхности на относительно большом расстоянии от щели. При этом на самой поверхности возникает разрежение или тяга (рис. 7).

Очередное устройство, использующее исследуемый аэродинамический эффект, было представлено на майской конференции по робототехнике и автоматизации ICRA 2011 - прототип шара-наблюдателя, конструкции профессор Массачусетского технологического института (MIT) Гарри Асада.

Небольшие гладкие устройства сферической формы (рис. 21) способны путешествовать по трубопроводам системы охлаждения в поисках возможных трещин. Особенностью механического инспектора является отсутствие винтов или других внешних движительных элементов.

По трубопроводу робот перемещается в потоке воды. Когда ему нужно сменить направление, открывается впускной клапан, и струя жидкости подаётся в систему внутренних Y-образных клапанов, которые перераспределяют её так, чтобы она изнутри толкала шар в нужном направлении; здесь активно используется эффект Коанда - явление, характеризующееся «прилипанием» струи жидкости или газа к стенке сосуда, из которого она выходит. В данном случае этот эффект позволяет упорядочить движение воды внутри шара.

Применение суперциркуляции (эффекта Коанда) существует и в вертолетостроении: в 1975г. фирма Hughes, позднее вошедшая в фирму McDonnell-Douglas, начала исследования системы система NOTAR (No Таil Rotor), применяемой вместо рулевого винта.

Хотя идея использования эффекта Коанда потребовала времени для совершенствования, теоретическая основа системы NOTAR проста: управляющая сила возникает по той же причине, по какой возникает подъёмная сила крыла - из-за несимметричного обтекания профиля воздушным потоком.

Эта система (рис. 8) состоит из сопловой и циркуляционной подсистем. Циркуляционная подсистема использует эффект Коанда (при выдуве высокоскоростных струй через продольные щели на цилиндрической хвостовой балке), благодаря которому при обтекании хвостовой балки индуктивным потоком от несущего винта создается аэродинамическая сила, компенсирующая на плече относительно оси несущего винта часть реактивного момента.

Достоинства системы NOTAR заключаются в повышении безопасности (рулевой винт является уязвимым узлом вертолётов одновинтовой схемы) и значительном снижении уровня шума.

Существует три модели серийных вертолётов, использующих систему NOTAR, все они производятся компанией «MD Helicopters»:

- MD 520N - серийного вариант MD 500;

- MD 600N - увеличенный вариант MD 520N;

- MD Explorer - двухдвигательный восьмиместный вертолёт.

В сентябре 1979 г. совершил первый полет NHH-2D с использованием несущего винта с управляемой циркуляцией. Концепция подобного несущего винта изучалась и оценивалась фирмой "Каман" в течение нескольких лет, полностью воплотилась в модели SH-2G (рис.12).

Эффект (изменение реактивной тяги, в данном случае - подъемной силы лопасти) достигался путем истечения сжатого воздуха от компрессора через щель, расположенную в задней кромке попасти. Количество поступающего через щели воздуха регулировалось с помощью системы клапанов, расположенных во втулке. Этот метод предлагался в качестве альтернативы циклическому управлению углом атаки лопастей.

Струйный контроль полёта (fluidic flight control) применен для беспилотного турбореактивного самолёта DEMON (рис. 13). Этот уникальный аппарат избавлен своими создателями от необходимости использования для манёвров элеронов, закрылков и рулей, благодаря методам управления пограничным слоем, базирующимся на эффекте Коанда.

Откачивая или вдувая воздух в ключевых точках крыла или фюзеляжа, можно с помощью, сравнительно, тонких струй управлять движением аппарата.

Британская компания AESIR предлагает новый тип беспилотника с вертикальным взлётом, не имеющим каких-либо внешних подвижных частей (не считая небольших пластинок для отклонения потоков воздуха).

Вентилятор в центре машины служит для создания потока воздуха вокруг неё. Но в отличие от целого ряда аппаратов типа «винт в кольце» сам этот поток не создаёт реактивной подъёмной силы. И лопасти вентилятора тут тоже не действуют по принципу вертолётного винта.

В данном случае струя прилипает к закруглённой внешней поверхности корпуса. При этом на ней создаётся разряжение, увлекающее аппарат вверх. Раздельное регулирование потоков воздуха у разных секторов «тарелки» позволяет ей наклоняться и менять курс.

Компания разработала несколько родственных моделей, различающихся размерами и типом двигателя. Так, к примеру, самый маленький - Vidar. Аппарат диаметром 30 сантиметров весит 400 граммов и может поднимать 100 г полезной нагрузки. Его вентилятор крутится электромоторчиком, получающим ток от литиевых батарей. В воздухе машинка может находиться 15 минут.

Метровый в диаметре Odin потребляющим реактивное горюче. Сама эта «тарелка» весит 10 килограммов и поднимает такую же нагрузку. В небе она держится час.

В развитии находится ещё более крупная машина. Hoder должен весить 1,5 тонны, поднимая в воздух тонну полезного груза. Время миссии - до 8 часов. Главное назначение этого аппарата - автономная доставка боеприпасов и медикаментов на передовую, в то время как «меньшие братья» - прирождённые разведчики.

Следует отметить, что дисколеты («летающие тарелки»), работающие на эффекте Коанда можно выделить как отдельное направление авиатехники. Одни конструкции считаются мифическими, в других действием эффекта обуславливается лишь 5-10% подъемной силы, а третьи вообще не работоспособны.

По непроверенным данным, в конце 30-х - начала 40-х годов прошлого столетия проектированием реальных "летающих тарелок" занялись как минимум две группы инженеров. Одна из них базировалась в Праге, и возглавляли ее конструкторы Шривер и Габермоль. Вторая группа, также осуществлявшая свою деятельность в обстановке строжайшей секретности, работала в Дрездене и Бреслау. Ее возглавляли инженеры Мите и Белонце.

Шривер и Габермоль якобы испытали свой дисковидный летательный аппарат в феврале 1941 года. Он как раз обладал возможностью вертикального взлёта, но эта модель № 1 принесла своим разработчикам массу проблем, поскольку постоянно терпела аварии. Была предпринята попытка утяжелить внешний обод, но и это не принесло успеха.

Модель № 2 представляла собой усовершенствованный вариант предыдущей. Размер "тарелки" увеличили, разместив в ее кабине двух пилотов, лежащих в креслах. Были усилены двигатели, увеличен запас топлива. Для стабилизации использовался рулевой механизм, подобный самолетному. Скорость якобы достигала 1200 километров в час. Как только набиралась нужная высота, несущие лопасти, находившиеся под днищем, изменяли свою позицию, и аппарат двигался подобно современным вертолетам.

Модель № 3 - дисковидный аппарат конструкции Белонце (другая транскрипция фамилии - Белуццо) был более совершенен. Как утверждают уфологии, он приводился в движение "бездымным" и беспламенным двигателем австрийского изобретателя Виктора Шаубергера, принцип действия которого держался в строжайшей тайне. Известно лишь одно: его действия основывалось на взрыве, а для работы ему требовались только вода и воздух. "Диск Белонце" (рис. 16) был окольцован установкой из 12-ти наклонных реактивных двигателей, охлаждавших "взрывной" мотор и, всасывая воздух, создавали сверху аппарата область разрежения, что способствовало его подъему с меньшим усилием.

Модель эту якобы выполнили в двух версиях: диаметром 38 и 68 метров. 19 февраля 1945 года один из "дисков Белонце" совершил свой первый и последний экспериментальный полет. За три минуты летчики-испытатели достигли высоты 15 километров и скорости 2200 километров в час. Аппарат мог зависать в воздухе и летать взад-вперед почти без разворотов, для приземления же использовал складывающиеся стойки. В конце войны стоивший многие миллионы рейхсмарок аппарат был взорван по приказу чуть ли не самого Кейтеля. Завод в Бреслау (ныне Вроцлав), где он строился, попал в руки советских войск, но это ничего не дало.

Вячеслав и Михаил Козыревы, авторы фундаментального исследования под названием "Секретные проекты люфтваффе времён Второй Мировой войны", в своём труде чудо-двигатель Шаубергера даже не упоминают. Они пишут, что Джузеппе Белуццо родился в Вероне в 1876 году и сам был крупным специалистом в области двигателестроения. Он построил первую итальянскую паровую турбину, позднее усовершенствованную им для установки на линкорах и крейсерах. Белуццо занимался не только научно-технической деятельностью, но и политикой: при фашистском правительстве в Италии он избирался в парламент, и в течение трёх лет даже занимал пост министра экономики. Он утверждал, что наблюдавшиеся во время войны светящиеся НЛО являлись всего-навсего изобретёнными им дисковыми летательными аппаратами. Эти аппараты в обстановке строжайшей секретности разрабатывались с 1942 года в Италии и Германии. В доказательство своей правоты Белуццо в 1950 году представил эскизные наброски некоторых своих разработок военных лет.

Тем не менее, отрывочные и фрагментарные данные об испытаниях немецких «летающих дисков» существуют. Правда, за их достоверность полностью ручаться трудно.

Из современных конструкций наиболее известными являются: разработки, Ю.И. Безрукова (рис. 17), канадской фирмы «AVRO» (рис.18), Г. Смирнова (рис. 19), отца и сына Павловых (г. Казань) (рис. 20), А. Голгота (с. Алимпешть, Румыния) и др. Следует отметить, что проектом «AVROCAR» занимался английский конструктор Джон Фрост.

Сам Коанда тоже сделал немало изобретений, в которых используется открытый им эффект. Например, в 1938 году он запатентовал интересное устройство - струйный зонт. Образно говоря, это крыло самолета, свернутое в диск так, что получается зонт (или гриб) с отверстием в центре. Если в верхней части через несколько отверстий с большой скоростью вбрасываются газовые струи, от они, обтекая выпуклую поверхность и срываясь с нижнего края, создают пониженное давление над зонтом. В результате чего возникает подъемная сила, поднимающая его в воздух.

В данной работе рассмотрены технические устройства, в аэродинамическую схему которых входит эффект Коанда, обзор следует дополнить устройствами пневмоники (струйной пневмоавтоматики), вентиляции, кондиционирования, аспирации и т.д.

Просмотров работы: 1956